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Xilinx Artix-7 FPGA快速入門(mén)、技巧與實(shí)例連載5——FPGA應用領(lǐng)域 更多資料共享 鏈接：https://share.weiyun.com/53UnQas 
FPGA目前雖然還受制于較高的開(kāi)發(fā)門(mén)檻以及器件本身昂貴的價(jià)格，應用的普及率上和ARM、DSP還是有一定的差距，但是在非常多的應用場(chǎng)合，工程師們還是會(huì )別無(wú)選擇的使用它。FPGA所固有的靈活性和并行性是其他芯片所不具備的，所以它的應用領(lǐng)域涵蓋得很廣。從技術(shù)角度來(lái)看，主要是有以下需求的應用場(chǎng)合。 ● 邏輯粘合，如一些嵌入式處理常常需要地址或外設擴展，CPLD器件尤其適合。今天已經(jīng)少有項目會(huì )選擇一顆FPGA器件專(zhuān)門(mén)用于邏輯粘合的應用，但是在已經(jīng)使用的FPGA器件中順便做些邏輯粘合的工作倒是非常普遍。
圖1.20邏輯粘合 如圖1.21所示，這是一個(gè)真實(shí)的案例，一顆TI的DSP處理器，需要將它的EMIF（External Memory Interface）連接3顆雙口RAM芯片，既有的EMIF肯定無(wú)法滿(mǎn)足要求，因此中間使用了一顆FPGA作為“橋接”，有效的將地址和數據總線(xiàn)做擴展。
圖1.21基于CPU外設擴展的邏輯粘合應用 ● 實(shí)時(shí)控制，如液晶屏或電機等設備的驅動(dòng)控制，此類(lèi)應用也以CPLD或低端FPGA為主。
圖1.22實(shí)時(shí)控制 電機和電動(dòng)控制器在工業(yè)設備中應用廣泛。當您走進(jìn)任何一家工廠(chǎng)，您會(huì )發(fā)現千差萬(wàn)別的機械組件之間總有一些似曾相似的感覺(jué)——這些機械都采用電機作為動(dòng)力。多數電機控制系統都采用微控制器做驅動(dòng)控制。然而，微控制器卻不能滿(mǎn)足復雜電機控制算法的性能需求，如直接轉矩控制（DTC）或無(wú)傳感器磁場(chǎng)定向控制（SFOC）。過(guò)去，曾經(jīng)使用數字信號處理器（DSP）克服這個(gè)問(wèn)題，但當涉及高性能時(shí)，其成本效益通常無(wú)法與FPGA匹敵。使用單顆FPGA器件，便可搭建一個(gè)復雜的、可伸縮的、高性能的電機控制系統。
圖1.23工業(yè)現場(chǎng)實(shí)時(shí)控制應用 ● 高速信號采集和處理，如高速AD前端或圖像前端的采集和預處理，近年來(lái)持續升溫的機器視覺(jué)應用也幾乎是無(wú)一例外的都使用了FPGA器件。
圖1.24 高速 如圖1.25所示，諸如此類(lèi)的應用，其硬件系統大體如此。前端有ADC做數據轉換，FPGA做實(shí)時(shí)轉換控制和數據采集，同時(shí)進(jìn)行必要的前端數據處理、編碼或壓縮，DDR3或DDR4高速存儲器做緩存，最終通過(guò)USB、以太網(wǎng)、PCIe等接口將數據傳輸到后端。圖像采集的應用也與此相似，只要將ADC部分更換為圖像傳感器即可。
圖1.25 高速采集處理應用 ● 協(xié)議實(shí)現，如更新較快的各種有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)通信標準、廣播視頻及其編解碼算法、各種加密算法等，諸如此類(lèi)小批量、定制化、更新?lián)Q代頻繁的應用使用FPGA比ASIC更有競爭力。
圖1.26無(wú)線(xiàn)通信基站的協(xié)議實(shí)現 如圖1.27所示，電視廣播站采用串行數字接口（SDI）作為傳輸協(xié)議標準，在同軸電纜上傳輸無(wú)壓縮的數字視頻。每次視頻圖像質(zhì)量改進(jìn)，該標準往往都要擴容。最新的標準為3G-SDI。伴隨著(zhù)這些變化， FPGA便成為其最佳的解決方案，FPGA解決方案提供核心收發(fā)器，能夠在同一臺收發(fā)器上，不更改板級硬件電路的前提下，升級FPGA代碼版本以兼容所有三種 SDI 速率（SD SDI、 HDSDI 以及 3G-SDI）。
圖1.27SDI編碼器應用 此外，演播室內往往也還有其他許多的升級要求。例如新的數字技術(shù)能夠幫助剪輯視頻流、改進(jìn)或修正畫(huà)量，以及壓縮圖像，以供電纜或衛星線(xiàn)路傳輸。最新的壓縮標準 H.265（也被稱(chēng)為“高效視頻編解碼標準”）極大減少了影視節目的編碼位數。但是，該標準需要海量計算。許多設備供應商都發(fā)現，一邊要把功能打包到一個(gè)片上系統，一邊又要解決快速發(fā)展產(chǎn)生的時(shí)間壓力，多種需求的重合，FPGA無(wú)疑又是最佳的解決方案。 ● 各種原型驗證系統。由于工藝的提升，流片成本也不斷攀升，而在流片前使用FPGA做前期的驗證已成為非常流行的做法。
圖1.28原型驗證 ● 并行計算。過(guò)去傳統的CPU計算受限于其串行順序處理的架構，已經(jīng)很難適應今天的云計算和數據中心對大數據運算的需求了；而GPU雖然在并行處理以及所使用的高級編程語(yǔ)言上有不小的優(yōu)勢，也在過(guò)去一段時(shí)間內成為了此類(lèi)應用的主流方案，但也受限于極高的成本和功耗代價(jià)；相比之下，單位功耗性能是GPU的3~4倍的FPGA則大有取而代之之勢。
圖1.29并行計算 高性能計算（HPC）市場(chǎng)是如今增長(cháng)最為迅速的計算領(lǐng)域。在金融、醫學(xué)成像、生物科學(xué)、軍事以及許多其它很多需要高性能計算的領(lǐng)域，都能夠受益于FPGA器件的并行性所帶來(lái)的性能提升。想象一下金融市場(chǎng)，以及那些在不同地點(diǎn)傳輸的、令人難以置信的貿易、預測和價(jià)格計算數據。在這些交易中，哪怕是不到一分錢(qián)的占比都有重要的意義，因此高速、精確的浮點(diǎn)算術(shù)絕對必要。在高性能計算里，浮點(diǎn)是數字表示法，用一系列數字或數位表示真實(shí)數字。應用程序需要浮點(diǎn)數據類(lèi)型，以獲得比整數計算更為精確的計算結果。浮點(diǎn)運算需要更多的處理器邏輯，因此也需要更多的并行處理。如今的中高端FPGA器件都標配DSP處理單元，甚至能夠以硬浮點(diǎn)的形式出現，加之FPGA器件天生的并行性，拿下高性能計算這塊大肥肉自然不在話(huà)下。 ● 片上系統，如Altera公司的SocFPGA和Xilinx公司的Zynq，這類(lèi)FPGA器件，既有成熟的ARM硬核處理器，又有豐富的FPGA資源，大有單芯片一統天下的架勢。
圖1.30ZYNQ架構的嵌入式系統 當然了，若從具體的行業(yè)細分來(lái)看，FPGA在電信、無(wú)線(xiàn)通信、有線(xiàn)通信、消費電子產(chǎn)品、視頻和圖像處理、車(chē)載、航空航天和國防、ASIC原型開(kāi)發(fā)、測試測量、存儲、數據安全、醫療電子、高性能計算以及各種定制設計中都有涉獵�？偠灾�，FPGA所誕生并發(fā)展的時(shí)代是一個(gè)好時(shí)代，與身俱來(lái)的一些特性也注定了它將會(huì )在這個(gè)時(shí)代的舞臺上大放光彩。
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